background image

Chapter Nine

Taylor and Laurent Series

9.1. Taylor series. Suppose is analytic on the open disk |z

 z

0

|

 r. Let be any point in

this disk and choose to be the positively oriented circle of radius

, where

|z

 z

0

|

   r. Then for sC we have

1

s

 

1

 z

0

   z

0

1

s

 z

0

1

1

z

z

0

s

z

0

j

0

 z

0

j

 z

0

j

1

since |

z

z

0

s

z

0

|

 1. The convergence is uniform, so we may integrate

C

f

s

s

 z ds 

j

0

C

f

s

 z

0

j

1

ds

 z

0

j

, or

f

z  1

2

i

C

f

s

s

 z ds 

j

0

1

2

i

C

f

s

 z

0

j

1

ds

 z

0

j

.

We have thus produced a power series having the given analytic function as a limit:

f

z 

j

0

c

j

 z

0

j

, |z

 z

0

|

 r,

where

c

j

 1

2

i

C

f

s

 z

0

j

1

ds.

This is the celebrated Taylor Series for at z

 z

0

.

We know we may differentiate the series to get

f

z 

j

1

jc

j

 z

0

j

1

9.1

background image

and this one converges uniformly where the series for does. We can thus differentiate
again and again to obtain

f

n

z 

j

n

j

 1 2   1c

j

 z

0

j

n

.

Hence,

f

n

z

0

  n!c

n

, or

c

n

 f

n

z

0

n!

.

But we also know that

c

n

 1

2

i

C

f

s

 z

0

n

1

ds.

This gives us

f

n

z

0

  n!

2

i

C

f

s

 z

0

n

1

ds, for n

 0, 1, 2,  .

This is the famous Generalized Cauchy Integral Formula. Recall that we previously
derived this formula for n

 0 and 1.

What does all this tell us about the radius of convergence of a power series? Suppose we
have

f

z 

j

0

c

j

 z

0

j

,

and the radius of convergence is R. Then we know, of course, that the limit function is
analytic for |z

 z

0

|

 R. We showed that if is analytic in | z

0

|

 r, then the series

converges for |z

 z

0

|

 r. Thus  R, and so cannot be analytic at any point for which

|z

 z

0

|

 R. In other words, the circle of convergence is the largest circle centered at z

0

inside of which the limit is analytic.

9.2

background image

Example

Let f

z  expz  e

z

. Then f

0  f

0   f

n

0   1, and the Taylor series for f

at z

0

 0 is

e

z

j

0

1

j!

z

j

and this is valid for all values of since is entire. (We also showed earlier that this
particular series has an infinite radius of convergence.)

Exercises

1. Show that for all z,

e

z

 e

j

0

1

j! 

z

 1

j

.

2. What is the radius of convergence of the Taylor series

j

0

n

c

j

z

j

for tanh ?

3. Show that

1

1

 

j

0

 i

j

1  i

j

1

for |z

 i|  2 .

4. If f

z 

1

1

z

, what is f

10

i ?

5. Suppose is analytic at z

 0 and f0  f

0  f



0  0. Prove there is a function g

analytic at 0 such that f

z  z

3

g

z in a neighborhood of 0.

6. Find the Taylor series for f

z  sin at z

0

 0.

7. Show that the function defined by

9.3

background image

f

z 

sin z

z

for z

 0

1

for z

 0

is analytic at z

 0, and find f

0.

9.2. Laurent series. Suppose is analytic in the region R

1

 | z

0

|

 R

2

, and let be a

positively oriented simple closed curve around z

0

in this region. (Note: we include the

possiblites that R

1

can be 0, and R

2

 .) We shall show that for  in this region

f

z 

j

0

a

j

 z

0

j

j

1

b

j

 z

0

j

,

where

a

j

 1

2

i

C

f

s

 z

0

j

1

ds, for j

 0, 1, 2, 

and

b

j

 1

2

i

C

f

s

 z

0

j1

ds, for j

 1, 2,  .

The sum of the limits of these two series is frequently written

f

z 

j



c

j

 z

0

j

,

where

c

j

 1

2

i

C

f

s

 z

0

j

1

j

 0, 1, 2,  .

This recipe for f

z is called a Laurent series, although it is important to keep in mind that

it is really two series.

9.4

background image

Okay, now let’s derive the above formula. First, let r

1

and r

2

be so that

R

1

 r

1

 | z

0

|

 r

2

 R

2

and so that the point and the curve are included in the

region r

1

 | z

0

|

 r

2

. Also, let

 be a circle centered at and such that  is included in

this region.

Then

f

s

s

z

is an analytic function (of s) on the region bounded by C

1

C

2

, and

, where C

1

is

the circle |z|

 r

1

and C

2

is the circle |z|

 r

2

. Thus,

C

2

f

s

s

 z ds 

C

1

f

s

s

 z ds 

f

s

s

 z ds.

(All three circles are positively oriented, of course.) But

f

s

s

z

ds

 2ifz, and so we have

2

ifz 

C

2

f

s

s

 z ds 

C

1

f

s

s

 z ds.

Look at the first of the two integrals on the right-hand side of this equation. For s

C

2

, we

have |z

 z

0

|

 | z

0

|, and so

1

s

 

1

 z

0

   z

0

1

s

 z

0

1

1

 

z

z

0

s

z

0

1

s

 z

0

j

0

z

 z

0

s

 z

0

j

j

0

1

 z

0

j

1

 z

0

j

.

9.5

background image

Hence,

C

2

f

s

s

 z ds 

j

0

C

2

f

s

 z

0

j

1

ds

 z

0

j

 .

j

0

C

f

s

 z

0

j

1

ds

 z

0

j

For the second of these two integrals, note that for s

C

1

we have |s

 z

0

|

 | z

0

|, and so

1

s

 

1

 z

0

   z

0

1

z

 z

0

1

1

 

s

z

0

z

z

0

1

z

 z

0

j

0

s

 z

0

z

 z

0

j

 

j

0

 z

0

j

1

 z

0

j

1

 

j

1

 z

0

j

1

1

 z

0

j

 

j

1

1

 z

0

j1

1

 z

0

j

As before,

C

1

f

s

s

 z ds  

j

1

C

2

f

s

 z

0

j1

ds

1

 z

0

j

 

j

1

C

f

s

 z

0

j1

ds

1

 z

0

j

Putting this altogether, we have the Laurent series:

f

z  1

2

i

C

2

f

s

s

 z ds 

1

2

i

C

1

f

s

s

 z ds

j

0

1

2

i

C

f

s

 z

0

j

1

ds

 z

0

j

j

1

1

2

i

C

f

s

 z

0

j1

ds

1

 z

0

j

.

Example

9.6

background image

Let be defined by

f

z 

1

z

 1

.

First, observe that is analytic in the region 0

 |z|  1. Let’s find the Laurent series for f

valid in this region. First,

f

z 

1

z

 1

  1 1

z

 1

.

From our vast knowledge of the Geometric series, we have

f

z   1

j

0

z

j

.

Now let’s find another Laurent series for f, the one valid for the region 1

 |z|  .

First,

1

z

 1 

1

z

1

1

1

z

.

Now since |

1

z

|

 1, we have

1

z

 1 

1

z

1

1

1

z

 1z

j

0

z

j

j

1

z

j

,

and so

f

z   1 1

z

 1  

1

j

1

z

j

f

z 

j

2

z

j

.

Exercises

8. Find two Laurent series in powers of for the function defined by

9.7

background image

f

z 

1

z

2

1  z

and specify the regions in which the series converge to f

z.

9. Find two Laurent series in powers of for the function defined by

f

z 

1

z

1  z

2

and specify the regions in which the series converge to f

z.

10. Find the Laurent series in powers of z

 1 for fz 

1

z

in the region 1

 | 1|  .

9.8